川藏鐵路沿線地區(qū)夏季氣溫日較差的影響因素研究

胡啟軍，周振翔，曹幫軍，何樂平，李泊霖，邱 佳，雍 沁

1.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院，成都 610500

2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610225

政府間氣候變化專門委員會第四次評估報告（IPCC，2007）指出，1906 — 2005年，觀測到的全球地面平均氣溫上升了0.74℃，過去50 a的升溫率與前50 a相比幾乎翻了一番。中國地面氣溫在1905 — 2001年的96 a間以0.08℃ · (10a)-1的增長率略高于同期全球平均水平（任國玉等，2005）。全球氣候變暖情況的日益加劇，是區(qū)域環(huán)境面臨的巨大挑戰(zhàn)。氣溫上升直接導(dǎo)致冰雪融化和海平面升高，破壞了環(huán)境的穩(wěn)定性，致使災(zāi)害事件發(fā)生的概率加大，給人類社會和生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響（吉正熙和趙景波，2019）。氣溫日較差（diurnal temperature range，DTR）也稱為氣溫日振幅，是衡量氣候變化的重要指標(biāo)，能夠提供比平均溫度更多的信息，更直觀地展現(xiàn)地區(qū)氣候的變化規(guī)律（Braganza et al，2004）。自20世紀(jì)以來，國際上對全球變暖背景下的DTR變化及其原因開始了研究，希望通過DTR的變化規(guī)律和氣候模式的模擬實驗結(jié)果來了解其對全球環(huán)境可能帶來的影響。DTR的變化可以展現(xiàn)每日最高溫度Tmax和最低溫度Tmin變化的對稱性。在過去的幾十年里，全球絕大多數(shù)地區(qū)日最低溫度Tmin的增長速率大約是最高溫度Tmax增長速率的兩倍，DTR呈現(xiàn)下降趨勢（Sun et al，2019），并且在夏季和早秋最為明顯（Karl et al，1984）。陳鐵喜和陳星（2007）在計算了青藏高原地區(qū)16個氣象站數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，青藏高原出現(xiàn)了明顯變暖變干趨勢，DTR的變化為- 0.32℃ · (10a)-1。Betts（2006）研究指出：太陽輻射作為地球大氣運動的能量源泉和地球光熱能的主要來源，對地表溫度的影響是毋庸置疑的。日最高溫度Tmax與短波輻射密切相關(guān)，而日最低溫度Tmin則與長波輻射通量有關(guān)，DTR的長期趨勢受到短波輻射的強烈影響（Liu et al，2004；Makowski et al，2008）。

Makowski et al（2009）評估了歐洲地面太陽輻射（surface solar radiation，SSR）和DTR在季節(jié)尺度之間的關(guān)系，得出了夏季SSR與DTR變化尺度最高。云通過反射太陽輻射、吸收地球長波輻射并以自身溫度發(fā)射長波輻射對地氣系統(tǒng)能量收支平衡產(chǎn)生影響，從而顯著影響地表溫度（Ramanathan et al，1989）。Tang and Leng（2012，2013）利用站點資料并結(jié)合衛(wèi)星資料分析表明總云量是影響歐亞大陸北部和北美夏季近地表日平均最高氣溫變化的一個重要因素。除了輻射和云量，降水也會對DTR的變化造成影響。對阿爾泰地區(qū)、云南省、上海市等區(qū)域的研究表明：各地區(qū)的DTR均呈現(xiàn)減小的趨勢，降水量與DTR的變化呈負(fù)相關(guān)（Dai et al，1997；白松竹等，2012；周宇等，2012；石巖，2016；曹言等，2018）。因各地區(qū)地貌氣候環(huán)境存在差異性，影響DTR變化的因素也不盡相同。

川藏鐵路作為第二條進藏鐵路，穿越了中國最大的南北走向山系橫斷山脈。該區(qū)域氣候環(huán)境特殊，氣候類型變化大，具有海拔跨度大、降水多、云量多、輻射大等特點（周秋雪等，2019；游婷等，2020）。區(qū)域內(nèi)氣象站點數(shù)量少，數(shù)據(jù)缺失，對氣候變化的研究缺乏。夏季是一年中溫度最高的季節(jié)，也是輻射最強的季節(jié)。從多因素作用的角度出發(fā)，開展氣溫變化特征的研究，對具有復(fù)雜性和特殊性的高原地區(qū)氣候有重要意義。本文利用ERA5再分析資料，分析川藏鐵路“雅安 —林芝段”沿線地區(qū)的氣溫變化特征，研究DTR與各影響因素之間的作用規(guī)律，從而為掌握區(qū)域氣候變化模式、改善區(qū)域環(huán)境和促進工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

青藏高原被認(rèn)為是全球變暖的關(guān)鍵性區(qū)域，是世界海拔最高的高原，擁有熱帶山地濕潤氣候、亞熱帶濕潤氣候等10個氣候區(qū)，是北半球氣候的起張器和調(diào)節(jié)器（黃科朝等，2012）。橫斷山脈是中國最長、最寬和最典型的南北向山系群體，位于中國地勢第一階梯與第二階梯交界處，海拔在600 — 5000 m，氣候類型從亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候變化為高原溫帶濕潤半濕潤性季風(fēng)氣候，降水多，海拔落差大，氣候變化明顯。本文研究區(qū)域位于青藏高原東南部和四川盆地西部的橫斷山脈 處（93° — 104°E，27° — 32°N），選 取 川 藏 鐵路雅安—林芝段穿越橫斷山脈所經(jīng)過的9個地區(qū)，從東到西均勻分布，其中隸屬四川省5個，隸屬西藏自治區(qū)4個（圖1）。

圖1 研究區(qū)域地貌圖Fig. 1 The geomorphology map of the study area

1.2 研究數(shù)據(jù)和方法

ERA5再分析資料來自于歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的哥白尼氣候變化服務(wù)模塊（Copernicus Climate Change Service，C3S），為最新一代的再分析資料，所有的再分析資料均可以通過TOOLBOX程序處理分析和下載（https://cds.climate.copernicus.eu）。ERA5 在 ERA-Interim 的基礎(chǔ)上對空間分辨率和每小時的數(shù)據(jù)都進行了升級，水平分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為1 h，數(shù)據(jù)更新到2018年。本文使用的ERA5提供的氣象數(shù)據(jù)有：（1）1979 — 2018年的地表2 m的溫度數(shù)據(jù)，包括日最高溫度Tmax、日最低溫度Tmin、日平均溫度Tmean；（2）2014 — 2018年夏季6月、7月、8月逐日24 h的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括地面太陽輻射SSR（surface solar radiation）、總降水量TP（total precipitation）、總云量TCC（total cloud cover）、平均蒸發(fā)率MER（mean evaporation rate）。

ERA5再分析資料提供的SSR數(shù)據(jù)在研究區(qū)域內(nèi)的9個站點各不相同，而提供的TP、TCC、MER數(shù)據(jù)在部分站點相同。因此，分析SSR數(shù)據(jù)時，單獨對各個站點進行分析，而分析TP、TCC、MER數(shù)據(jù)時，將雅安、康定和雅江設(shè)為雅安段，理塘和巴塘設(shè)為理塘段，貢覺和昌都設(shè)為昌都段，波密和林芝設(shè)為林芝段。

氣溫日較差是指日最高氣溫與最低氣溫之差，計算公式為：

太陽輻射是地表溫度的來源。Makowski et al（2008）通過研究歐洲55 a間的輻射與氣溫日較差之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)DTR與SSR呈現(xiàn)線性相關(guān)。其中DTR是因變量，SSR是自變量，公式如下：

式中：a、b是回歸系數(shù)，Y是因變量DTR，X是自變量SSR。

考慮到總降水量與云量增長到一定程度情況下，對氣溫日較差的影響開始減弱，采用單相指數(shù)衰減函數(shù)擬合總降水量、總云量對氣溫日較差的影響特征（Cheng et al，2008）：

式中：t是時間常數(shù)，y0是偏移，A是振幅。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域氣候和氣溫日較差特征

青藏高原是全球氣候變化的敏感區(qū)，對全球氣候變化有著至關(guān)重要的作用。研究區(qū)域位于青藏高原東部，區(qū)域氣候受到青藏高原的強烈影響。圖2、圖3分別是研究區(qū)域內(nèi)1981 — 2018年月溫度特征圖和降水特征圖。根據(jù)圖2可知：1981 — 2018年，區(qū)域氣候特征明顯，年平均溫度低于5℃，昌都段和林芝段年平均溫度低于0℃，6月溫度升高趨勢明顯。其中雅安段月最高溫度范圍值最大，遠(yuǎn)大于理塘段、昌都段、林芝段。月平均最高溫度最大值出現(xiàn)在夏季7月和8月，最小值均出現(xiàn)在1月（表1），雅安段、昌都段夏季月平均溫度變化較大，理塘段、林芝段夏季月平均溫度變化較小。1 — 6月，四段區(qū)域的月平均溫度上升趨勢不變，8 — 12月，雅安段月平均溫度下降趨勢不變，理塘段、昌都段、林芝段月平均溫度下降趨勢先大后小。

表1 研究區(qū)域內(nèi)溫度和降水（1979 — 2018年）、DTR極值（2014 — 2018年）Tab. 1 Temperature and precipitation (1979 — 2018) and DTR extreme value (2014 — 2018) in the study area

圖2 1981 — 2010年月平均最高溫度（紅色實線）、月平均溫度（橙色實線）、月平均最低溫度（藍色實線）、月最高溫度范圍（紅色區(qū)域）、月最低溫度范圍（藍色區(qū)域）Fig. 2 The monthly average of daily maximum (red solid line), monthly average of daily average (orange solid line), monthly average of daily minimum (blue solid line), monthly range of daily maximum (red area), monthly range of daily minimum (blue area) from 1981 to 2010

區(qū)域降水夏季（6 — 8月）多、冬季（12月 — 次年2月）少，7月降水量達全年最多（圖3）。雅安段降水量最大值高于其他三段，大于250 mm，其中，雅安段夏季降水量與林芝段夏季降水量相近，遠(yuǎn)高于理塘段和昌都段夏季降水量。四段區(qū)域夏季月降水量從大到小依次為7月、8月、6月。雅安段、理塘段、林芝段降水集中，全年降水量變化為先增大后減小，呈倒“V”型變化趨勢。昌都段冬季降水量高于雅安段、理塘段和林芝段，全年呈“M”型變化趨勢。

圖3 1981 — 2010年月降水量Fig. 3 The monthly average precipitation from 1981 to 2010

表1給出了研究區(qū)域1979 — 2018年溫度特征和降水情況，以及2014 — 2018年DTR的極值。區(qū)域內(nèi)，月最高溫度均在10℃以上，溫度大小依次為理塘段、雅安段、林芝段、昌都段。區(qū)域內(nèi)，月最低溫度均低于-15℃。受海拔高度影響，昌都段和林芝段的月最低溫度低于-20℃，遠(yuǎn)低于雅安段和理塘段。雅安段年平均降水量與昌都段相同，理塘段與林芝段相同。

2014 — 2018年是我國有完整氣象觀測記錄以來最暖的5個年份（中國氣象局，2019），升溫帶給青藏高原的變化不容小覷。圖4給出了1979 — 2018年川藏鐵路沿線9個地區(qū)的氣溫變化。研究區(qū)氣溫整體呈上升趨勢，其中2014 — 2018年上升最為明顯，與全國氣候變暖特征相同。僅2017年，巴塘、貢覺、昌都、波密等地，氣溫相較于1981—2010年長期氣溫的變化升高了1.8 — 2℃。

圖4 川藏鐵路沿線1979 — 2018年氣溫趨勢Fig. 4 Temperature trend of the areas along the Sichuan-Tibet railway from 1979 to 2018

圖5是2014 — 2018年川藏鐵路沿線區(qū)域夏季6月、7月、8月DTR的空間變化趨勢和趨勢標(biāo)準(zhǔn)差。由表1、圖5的結(jié)果可知：2014 — 2018年DTR整體呈現(xiàn)下降趨勢，與全球DTR變化一致（Sun et al，2019）。川藏鐵路沿線9個地區(qū)DTR變化趨勢均表現(xiàn)為下降，下降趨勢由東向西增加、由南向北增加。在雅安、康定、雅江、理塘、巴塘、貢覺、昌都、波密、林芝9個站點，DTR最大值分別為：15.5℃、12.4℃、17.7℃、17.6℃、16.7℃、16.5℃、17.5℃、17.1℃、15.3℃，DTR最小值分別為：0.9℃、1.1℃、1.8℃、2.2℃、2.8℃、3.3℃、3.0℃、0.9℃。

圖5 川藏鐵路沿線地區(qū)2014 — 2018年夏季DTR空間變化趨勢（a）和DTR空間變化趨勢標(biāo)準(zhǔn)差（b）Fig. 5 Spatial trend of DTR (a) and standard deviation of spatial trend of DTR (b) in the areas along Sichuan-Tibet railway from 2014 to 2018 in summer

雅江、理塘、巴塘、貢覺、昌都、波密均位于橫斷山脈群系，DTR波動幅度大，表明山區(qū)更易受到氣候變化的影響，Thakuri et al（2019）對尼泊爾氣溫隨海拔升高的研究中，得到了相同的結(jié)論?？紤]到山區(qū)對氣候變化的生態(tài)敏感性，本研究區(qū)的DTR增加對生態(tài)環(huán)境的影響需要受到重視，探究DTR變化的影響因素對保護區(qū)域生態(tài)有著重要意義。

2.2 氣溫日較差與地面太陽輻射

地面太陽輻射只在白天出現(xiàn)，因此對Tmax的影響要大于對Tmin的影響。Tmin主要受到地表熱輻射控制，尤其是夜間地表輻射冷卻，這取決于大氣吸收和再發(fā)射熱輻射到地表的能力。因此，可以通過計算SSR對地表溫度的影響程度來分析DTR的變化。研究區(qū)域9個站點夏季6月、7月、8月DTR與SSR的相關(guān)性如圖6所示。由圖6可知，DTR隨著SSR的增加而增大，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)性。

對DTR與SSR進行線性擬合（圖6），發(fā)現(xiàn)DTR與SSR密切相關(guān)（P＜0.05），與Zhang et al（2013）的結(jié)論類似。圖6中，回歸方程的斜率介于0.02514 — 0.03888，其中雅安、雅江和林芝相關(guān)性最好，R值在0.7以上，說明SSR對DTR有明顯影響。

值得關(guān)注的是，波密DTR與SSR的相關(guān)系數(shù)僅為0.31，相關(guān)性較低，這可能與其地理位置有很大關(guān)系。波密氣候類型復(fù)雜，海拔2700 m以下屬亞熱帶氣候帶，2700 — 4200 m屬高原溫暖半濕潤氣候，4200 m以上屬高原冷濕寒濕帶，境內(nèi)冰川發(fā)育，處于念青唐古拉山東段和喜馬拉雅山東端，高山連綿，受雪山影響較大，這種情況與受湖水影響的青海湖的晝夜溫差相似（Li et al，2019）。在特殊的地貌環(huán)境下，SSR可能不是影響DTR的主要因素，還與其他因素有關(guān)，需進一步研究。

圖6j是海拔和DTR的變化特征，其中海拔在0 — 2500 m有雅安，2500 — 3500 m有康定、波密、林芝，3000 m以上有雅江、理塘、貢覺、昌都。在這條線上，雅安、康定、雅江、理塘、巴塘、波密、林芝都在北緯30°左右，且差異不超過0.5°。在相同緯度下，DTR隨海拔的升高而升高。

圖6 9個站點的DTR與SSR相關(guān)性（a — i）、海拔和DTR相關(guān)性（j）Fig. 6 Correlation between DTR and SSR of the 9 stations (a — i), elevation and DTR ( j )

2.3 氣溫日較差與總降水量

圖7為2014 — 2018年川藏鐵路沿線四段區(qū)域夏季6月、7月、8月TP與DTR的相關(guān)性分析，TP與DTR存在負(fù)相關(guān)性，TP較小時，會顯著增加空氣濕度，減小水汽的蒸發(fā)作用，對DTR的影響明顯。隨著TP的增加，空氣濕度趨于穩(wěn)定，對DTR的影響開始減弱。雅安、理塘、昌都、林芝的R分別為：- 0.39、- 0.47、- 0.50、- 0.57（P＜0.05）。其中林芝的TP與DTR相關(guān)性最強（-0.57），這與Dai et al（1997）得到的TP與DTR的相關(guān)性為-0.55相近。雅安的相關(guān)性較弱，為-0.39，表明TP不是導(dǎo)致雅安DTR變化的主要原因。TP對DTR的影響程度，從東向西減弱，與東部降水多、西部降水少的現(xiàn)象吻合。

圖7 降水量TP與DTR的相關(guān)性Fig. 7 Correlation between TP and DTR

2.4 氣溫日較差與總云量

圖8為2014 — 2018年川藏鐵路沿線四段區(qū)域夏季6月、7月、8月TCC與DTR的相關(guān)性分析，DTR與TCC整體呈負(fù)相關(guān)，TCC在0% — 25%，對DTR的影響最弱，此時TCC不是影響DTR變化的主要因素。當(dāng)TCC達到25%時，對DTR影響程度開始增加，一直持續(xù)到90%，TCC超過90%時，對DTR的影響力開始減弱，主要是由于云可以通過改變地氣系統(tǒng)輻射收支平衡來影響近地表溫度。夜間多云而白天少云，對DTR產(chǎn)生明顯影響（Sun et al，2000）。林芝段DTR與TCC之間的相關(guān)系數(shù)最大（- 0.55），其他3段的相關(guān)系數(shù)分別為- 0.52、- 0.47和- 0.48。

圖8 總云量TCC與DTR的相關(guān)性Fig. 8 Correlation between TCC and DTR

2.5 氣溫日較差與平均蒸發(fā)率

平均蒸發(fā)率是指地球表面每平米每秒蒸發(fā)的水量，包括植物的蒸騰。水汽在空氣中蒸發(fā)吸收熱量，改變近地表的溫度。圖9為2014 — 2018年川藏鐵路沿線四段區(qū)域夏季6月、7月、8月MER與DTR的相關(guān)性分析，DTR與MER呈線性負(fù)相關(guān)，MER數(shù)值越大，DTR越小。雅安段DTR與MER之間的相關(guān)性最高（R= -0.72）。由于雅安屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，夏季多地形降水與鋒面降水，濕度大，增大了空氣的熱容量，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)差異是造成DTR減小的主要因素。理塘屬于高原氣候，昌都屬于高原亞溫帶亞濕潤氣候，林芝屬于熱帶濕潤和半濕潤氣候，蒸發(fā)量相對較小，相對濕度小，太陽輻射強，MER對DTR的作用相對較弱（曹麗和王華，2014；毛書華，2014；史繼清等，2018）。

圖9 MER與DTR的相關(guān)性Fig. 9 Correlation between MER and DTR

3 結(jié)論

川藏鐵路沿線區(qū)域1979 — 2018年整體氣溫上升趨勢明顯，2014 — 2018年升溫最為明顯，升溫達1.8 — 2℃。日最高溫度集中在夏季7月、8月，日最低溫度出現(xiàn)在1月。研究區(qū)降水集中，降水為東部多西部少，夏季降水遠(yuǎn)高于冬季。區(qū)域內(nèi)溫度特征明顯，對區(qū)域內(nèi)2014 — 2018年夏季6月、7月、8月DTR及其影響因素（SSR、TP、TCC、MER）進行相關(guān)分析，得出如下結(jié)論：

（1）2014 — 2018年研究區(qū)域內(nèi)的DTR整體呈下降趨勢，該下降趨勢由東向西增加、由南向北增加。DTR的高值主要集中在研究區(qū)域中間的山區(qū)，隨著經(jīng)度的降低，區(qū)域內(nèi)海拔逐漸升高，DTR的變化也隨海拔的升高而加劇，其變化易受到海拔的影響。

（2）SSR和MER是影響DTR的主要因素。SSR與DTR之間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)接近0.65。MER與DTR呈負(fù)相關(guān)，雅安段MER與DTR的相關(guān)系數(shù)達到-0.72。

（3）TP、TCC是影響DTR的次要因素，均呈負(fù)相關(guān)性。其中TP對DTR的相關(guān)系數(shù)平均值為-0.48，TCC與DTR相關(guān)系數(shù)平均值為-0.51，兩種因素對DTR的影響程度增大到一定值時，開始逐步減弱。

（4）TP、MER與DTR的相關(guān)系數(shù)由東向西減小，與區(qū)域內(nèi)降水量東多西少的分布特征相一致。根據(jù)相關(guān)系數(shù)絕對值的大小，四種因素對DTR變化的影響程度大小為SSR＞MER＞TCC＞TP。

除了上述幾種影響因素外，山嶺區(qū)域的DTR還易受到諸如地表植被、土壤濕度等因素的影響，因此需要進一步探討多種因素耦合作用對DTR變化的影響，從而更加客觀地反映DTR變化的機理。